2023年基于STM32的直流无刷无感电机的控制系统研究.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计〔论文〕 学 院 ： 电子与电气工程学院 专 业 ： 电子信息工程 学 生 ： 指导教师 ： 薛晓 完成日期 2023 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计〔论文〕 直流无刷电机的控制系统设计与实现 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation 总 计： 21 页 表 格： 2 个 插 图： 27 幅 南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计〔论文〕 直流无刷电机控制系统设计与实现 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation 学 院〔系〕： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师〔职称〕： 薛晓〔讲师〕 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 直流无刷电机控制系统设计与实现 电子信息工程专业 [摘 要] 直流无刷无感直流电机具有体积小、调速性能好、重量轻、效率高等优点，目前在很多领域得到了的应用。本课题设计的是无刷无感直流电机的控制，包括无刷直流电机无位置传感器控制系统和无刷无感直流电机的根本结构、工作原理、数学模型等理论进行了分析和论述，为直流电机的控制提供理论依据。用matlab guide设计了上位机界面来进行PID参数的整定。 本课题设计了直流无刷电机的控制系统并进行了调试。用STM32进行控制。实验结果说明设计的转子位置检测可以很好的检测电机的反电势过零点信号，进而保证电机的正确换相和稳定运行。整个系统可以控制无刷无感直流电机顺利启动，并通过滑动变阻器实现电机的调速。 [关键词] 无刷直流电机；电机驱动；换相；反电势 Design of Brushless DC Motor Controller and Implementation Electronic Information Engineering Specialty Abstract: The brushless DC motors have the advantage of small,good debugging performance,low weight,and high efficiency. So it has been widely used now. And this restricts the industrial drive applications,After the attachment with sensorless control. This paper mainly reserches the sensorless control technology for BLDCM,designs and control BLDCM without position sensor. I use MATLAB guide to debug PID parameter. designing a controller of brushless DC motor and do some experiments for this control system. I use the STM32 MCU as the core microprocessor of hardware system.The results of the experiment show that the rotor position detection system can perfectly detect the location of back-EMF zero-crossing signal,and ensuring the correct motor commutation and stable operation.The whole control system can control the brushless DC motor stating smoothly,and use the Sliding rheostat to achieve speed control. Key words：Brushless dc motor； motor drive；commutation; back-emf 目 录 1 引言 1 1.1 题目综述 1 1.2 国内外研究状况 1 1.3 课题设计的主要内容 1 2 系统设计目标和设计方案 2 2.1系统设计目标 2 2.2控制系统结构总体框图的设计 2 2.3硬件系统方案论证 3 2.3.1 控制器芯片选型 3 2.3.2 无刷直流电机的选型 3 2.3.3驱动电路的选型 4 2.3.4位置检测器件选型 4 3控制系统的工作原理和硬件设计 5 3.1直流无刷电机的工作原理 5 3.2无刷电机的反电势法位置检测原理 6 3.3电源模块 6 3.4 MCU控制模块 7 3.5 IPM功率模块 8 3.6反电势位置检测模块 10 3.7 隔离电路设计 10 3.8 速度改变电路设计 11 4 系统软件设计 11 4.1软件总体设计 11 4.2软件总体设计流程图 12 4.3无刷无感直流电机开环启动模块 12 4.4无刷直流电机位置检测及电机转速模块 13 4.5 AD采样改变PWM占空比模块 14 4.6 PID计算模块 14 4.7 matlab gui 串行通信界面设计 15 5直流无刷无感电机测试结果及结果分析 16 5.1 H_PWM_L_PWM的波形 16 5.2端电压对地波形 16 5.3位置检测波形 17 5.4电流波形 17 5.5实物图 18 结束语 19 参考文献 20 致谢 21 1 引言 1.1 题目综述 直流无刷电机是在有刷直流电机的根底上开展起来的，它不仅保存了有刷直流电机良好的调试性能，而且还克服了有刷直流电机机械换相带来的火花、噪声、无线电干扰、寿命短及制造本钱高和维修困难等等的缺点。与其它种类的电机相比它具有鲜明的特征：低噪声、体积小、散热性能好、调试性能好、控制灵活、高效率、长寿命等一系列优点。基于这么多的优点无刷直流电机有了广泛的应用。比方电动汽车的核心驱动部件、电动车门、汽车空调、雨刮刷、安全气囊；家用电器中的DVD、VCD、空调和冰箱的压缩机、洗衣机；办公领域的 机、复印机、碎纸机等；工业领域的纺织机械、医疗、印刷机和数控机床等行业；水下机器人等等诸多应用[1]。 1.2 国内外研究状况 目前，国内无刷直流电机的控制技术已经比拟成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用标准。外国的一些技术和中国的一些技术大体相当，美国和日本的相比照拟先进。当新型功率半导体器件：GTR、MOSFET、IGBT等的出现，以及钕铁硼、钐鈷等高性能永磁材料的出现，都为直流电机的应用奠定了坚实的根底。近些年来，计算机和控制技术快速开展。单片机、DSP、FPGA、CPLD等控制器被应用到了直流电机控制系统中，一些先进控制技术也同时被应用了到无刷直流电机控制系统中，这些开展都为直流电机的开展奠定了坚实的根底。 经过这么多年的开展，我国对无刷电机的控制已经有了很大的提高，但是与国外的技术相比还是相差很远，需要继续努力。所以对无刷直流电机控制系统的研究学习仍是国内的重要研究内容[2]。 1.3 课题设计的主要内容 本文以永磁方波无刷直流电机为控制对象，主要学习了电机的位置检测技术、电机的启动方法、调速控制策略等。选定适宜的方案，设计硬件电路并编写程序调试，最终设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。本课题涉及的技术概括如下： 〔1〕学习直流无刷电机的根本结构、工作原理、数学模型等是学习电机的前提和首要内容。 〔2〕直流无刷电机的转子位置检测技术，我选用最常用的反电势检测技术，本文分析了反电势法的原理，并设计了反电势的硬件实电路，进行了焊接与调试。 〔3〕由于无刷直流电机在静止或者转速很低的时候，其产生的反电势为零或者很小很不容易检测到，因此直流无刷电机的启动是一个难点。 〔4〕分析了速度换的单闭环控制策略，并用matlab guide设计了上位机界面来实现PID参数的实时整定。 〔5〕在确定无刷直流电机控制系统的硬件总体方案时，经过比照选择STM32芯片，选智能功率模块FSBB30CH60C为驱动芯片，并设计了无刷直流电机控制驱动电路、反电势转子位置检测电路及电流电压采样电路等。 〔6〕最后对整套控制系统进行了实验调试，包括软、硬件的调试，并对调试结果进行了分析。 2 系统设计目标和设计方案 2.1系统设计目标 直流无刷电机因为调试性能好、低噪声、体积小、控制灵活、高效率、散热性能好、寿命长等一系列的优点，本课题设计目标如下： 〔1〕能够驱动直流无刷电机的运转并有电路保护以免器件烧坏。 〔2〕能够实时准确的检测到直流无刷电机转子的位置。 〔3〕能够实现对电机启动和停止的控制。 〔4〕能够通过滑动变阻器来实现直流无刷电机的无极调速。 〔5〕电路具有电流、电压保护，以免对电路产生不良影响。 2.2控制系统结构总体框图的设计 直流无刷无感电机的控制系统能够实现的主要功能：能够准确实时的检测到无刷直流电机转子的位置、能够用三段式技术使电机能够很好的启动、PID调节技术、速度环的控制、电压保护、电流保护等主要关键的控制技术。电机调速原理框图如以下列图1所示。 图1 电机调速原理框图 2.3硬件系统方案论证 为了能够实现无刷直流电机的可靠运转、无极调速等一系列的优点，需要选择适宜的元器件来满足本课题设计的需求。 2.3.1 控制器芯片选型 对直流无刷电机控制所用微处理器的选型要重点考虑以下几个方面： （1） 微处理器的运行频率和运算速度得满足控制系统要求 〔2〕微处理器片内资源是否足够，主要是I/O口的数量和电平兼容性、A/D路数及位数。 〔3〕微处理器的体积、工作温度等是否满足系统要求。 〔4〕微处理器的可靠性、生产厂商、数量和价格、上市时间等因素也需要考虑，这关系到产品的后续更新换代，以及采用该处理器开发的难易程度。 基于ARM Corte-M3内核32位单片机STM32，时钟频率最大可达72MHZ，在数字处理上经过了优化，所以本设计选用STM32F103ZET6单片机。 2.3.2 无刷直流电机的